Магистральные сети: быстрее, еще быстрее...

Обзор оборудования SDH и DWDM.

Наверное, никто не станет подвергать сомнению значение магистральных сетей. Именно от их надежной работы зависит функционирование международной и междугородной телефонной связи, Internet, корпоративных сетей многих крупных компаний.

Развитие магистральных сетей по всему миру идет очень быстрыми темпами. В Европе, несмотря на значительное увеличение пропускной способности сетей традиционных операторов, после демонополизации телекоммуникационного рынка появилось и успешно развивается достаточно большое число новых операторов. Они прокладывают волоконно-оптические кабели, создают современные сети и не испытывают недостатка в клиентах.

В последнее время технологии, используемые на магистральных сетях, стали проникать и в городские сети. Соответствующие решения, в названии которых часто встречается слово metro, имеются практически у всех производителей. Скорость передачи в городских сетях порой достигает таких значений, о которых еще несколько лет назад операторы дальней связи могли только мечтать.

Преобладание трафика Internet и других пакетных сетей в суммарном объеме всей передаваемой информации требует совершенно новых подходов к организации каналов связи. Как результат, это ведет к появлению новых технологий, как, например, наделавшая много шума в прошлом году DTP, предложенная компанией Cisco Systems. Производители оборудования SDH не оказались в стороне от новых веяний и стали выпускать интерфейсные платы для непосредственного подключения устройств IP и АТМ.

В данном обзоре не представлено оборудование кросс-коммутации, ни электрической, ни оптической. К сожалению, на данный момент ни один производитель не имеет серийного оборудования, где бы не осуществлялось преобразование из «света» в «электричество» и обратно. Другая причина, по которой мы решили не рассматривать данный тип устройств, — их неактуальность для нашей страны в настоящее время. Каждый из коммутаторов стоит от нескольких сот тысяч до одного и более миллионов долларов, и для окупаемости подобных капиталовложений проходящий через них трафик должен составлять сотни гигабит. Сейчас даже наш фактический монополист дальней связи ОАО «Ростелеком» не может похвастаться таким объемом трафика, хотя и является владельцем единственного кросс-коммутатора в России.

Но сложившаяся ситуация может иметь и свои положительные стороны. Будем надеяться, что к тому времени, когда в России возникнет объективная потребность в коммутации терабитных потоков, кросс-коммутаторы избавятся от нынешних недостатков и ограничений.

Стоит отметить, что компактные модели оптических кросс-коммутаторов с успехом могут применяться вместо традиционных оптических кроссов, поскольку обеспечивают большую надежность и оперативность коммутации. Небольшая по размеру оптическая матрица в этом случае вносит затухание, сравнимое по величине с разъемным соединением.

ВСПОМИНАЯ SDH

Об особенностях технологии SDH и построении на ее основе сетей связи в середине 90-х гг. в нашей телекоммуникационной прессе писалось предостаточно. Я позволю себе кратко напомнить основные ее характеристики, так как с тех пор прошло довольно много времени.

Синхронная цифровая иерархия обладает целым рядом преимуществ, которые позволили ей стать основной технологией цифровых систем передачи на нынешнем этапе развития телекоммуникаций.

Во-первых, это хорошая проработка международных стандартов, описывающих структуру сигналов SDH, функции и электрические параметры аппаратуры, что обеспечивает совместимость оборудования разных производителей. Это позволяет операторам различных сетей без проблем взаимодействовать друг с другом. Технология SDH описывается в рекомендациях ITU-T (G.702, G.703, G.704, G.707, G.708, G.709, G.773, G.774, G.782, G.783, G.784, G.957, G.958, Q.811, Q.812) и ETSI (ETS 300 147). Североамериканская синхронная цифровая иерархия подчиняется системе стандартов SONET, разработанной Американским национальным институтом стандартов (American National Standards Institute, ANSI). Между собой SONET и SDH тесно связаны, а имеющиеся незначительные расхождения обусловлены различиями в североамериканской и европейской шкале скоростей.

Во-вторых, структура сигналов SDH позволяет достаточно легко мультиплексировать и демультиплексировать транспортный поток и получать доступ к любому его компоненту, не затрагивая остальных. Основу этой структуры составляет синхронный транспортный модуль STM-N, где N определяется уровнем SDH. В настоящее время широко используются системы STM-1, STM-4, STM-16 и начали внедряться системы STM-64. Нетрудно заметить, что все они построены с кратностью 4. Иерархия скоростей представлена в Таблице 1.

В-третьих, цикл повторения передачи транспортных модулей любого уровня равняется 125 мкс. Такая унификация обеспечивает простое мультиплексирование потоков нижних уровней в высшие. Транспортный модуль, соответствующий одному циклу, принято представлять в виде прямоугольной таблицы, хотя данные передаются по линии последовательно. Например, цикл базового для SDH модуля STM-1 содержит 9 строк по 270 байт, и первые 9 байт в каждой строке образуют заголовок цикла. При объединении в модуль более высокого порядка побайтное мультиплексирование происходит таким образом, что все блоки секционных заголовков, указатель и полезный сигнал размещаются так же, как и прежде.

В качестве полезной нагрузки сети, построенной на основе SDH, могут передаваться сигналы PDH, ячейки АТМ, любые неструктурированные цифровые потоки, имеющие скорость от 1,5 до 140 Мбит/с. Такая универсальность достигается применением контейнеров, в которых по сети SDH переносятся сигналы полезной нагрузки. Возможные типы контейнеров для модуля STM-1 приведены в Таблице 2.

Этот ряд контейнеров соответствует международным рекомендациям (ITU-T G.709) и объединяет европейскую и североамериканскую схемы системы SDH/SONET. В европейскую иерархию не входит контейнер типа С2. Из-за особенностей формирования контейнеров и их объединения в модуле STM-1 может быть передано или один контейнер С4, или три контейнера С3, или 63 контейнера С12, или комбинация контейнеров С3 и С12.

В технологии SDH используется довольно сложная система указателей и заголовков разного типа. Их рассмотрение не входит в нашу задачу, лишь упомянем, что благодаря им становится возможным доступ к передаваемой информации, а также передача по сети SDH сигналов синхронизации, сетевого управления, мониторинга и технического обслуживания.

ТЕХНОЛОГИЯ DWDM

В отличие от SDH, технология мультиплексирования оптических каналов по длинам волн (Wavelength Division Multiplexing, WDM) стала применяться в сетях связи относительно недавно. Когда речь идет об этой технологии, чаще используют термин DWDM (Dense WDM), подразумевающий мультиплексирование гораздо большего числа длин волн. Далее мы будем использовать именно этот термин.

Потребность в уплотнении в случае медных кабелей вполне очевидна — главная причина заключается в ограниченной полосе пропускания. Как ни странно, на первый взгляд эта же причина послужила толчком к созданию систем оптического уплотнения. В силу ограничений, накладываемых физическими свойствами оптического волокна и приемопередатчиков, оправданным является создание систем связи со скоростью не более 10 Гбит/с. Тем не менее к концу 90-х гг. прошлого столетия в результате стремительного роста объема передаваемой информации, пропускная способность магистральных сетей оказалась на грани исчерпания.

Появление технологии DWDM стало хорошей иллюстрацией к известному философскому постулату, утверждающему, что развитие происходит по спирали. Действительно, если абстрагироваться от деталей реализации, не трудно провести параллели со «старым, добрым» частотным уплотнением (Frequency Division Multiplexing, FDM). И в том и в другом случае по отдельному каналу передается информация, не связанная с данными в аналогичном канале. И в том и в другом случае необходимы дополнительные устройства, осуществляющие ввод и вывод информации в заданный канал. В упрощенной модели обе системы уплотнения можно представить в виде пучка кабелей.

Структурная схема DWDM (см. Рисунок 1) была бы неотличима от FDM, если бы не надписи на функциональных блоках. На передающей стороне с помощью конвертера, или, как его иначе называют, транспондера, данные «переводятся» в один из оптических каналов. По сути, это обычный процесс смены несущей частоты, нередко используемый в радиотехнике. Далее оптические каналы с помощью пассивного оптического мультиплексора объединяются в один поток. На принимающей стороне происходит обратная операция. Практически все производители оборудования SDH для сопряжения с системами DWDM предлагают клиентам так называемые «окрашенные» лазеры, т. е. лазеры, работающие на тех же частотах, что и транспондер. «Окраска» (и само значение термина) определяется смещением несущей в красную или фиолетовую части спектра оптического диапазона. Особенно часто «окрашенные» лазеры входят в состав оборудования уровня STM-16 и STM-64.

Важной характеристикой систем DWDM является так называемый канальный план. Он описывает расположение несущих частот оптических каналов в рабочем диапазоне. Действующая в настоящее время рекомендация ITU-T G.692 предлагает канальный план в окне прозрачности 1550 нм. Несущие располагаются с шагом в 100 ГГц. Использование в качестве единицы измерения для данного шага частоты вместо длины волны, хотя последнее представляется более естественным, вызвано более удобным для восприятия представлением, поскольку в силу округления при расчетах шаг по длине волны варьируется от 0,78 до 0,821 нм. Согласно данной рекомендации, в окне прозрачности 1550 нм можно разместить до 51 оптического канала. На практике разные производители не вполне придерживаются этих указаний. В некоторых системах шаг составляет 200 и 400 ГГц, в последнее время все чаще предлагаются системы с шагом 50 ГГц.

На магистральных линиях с технологией DWDM в целях увеличения расстояния между точками ввода/вывода информации применяют оптические регенераторы. В них не используется преобразование сигнала из «света» в «электричество» и обратно, что позволяет удешевить и упростить систему связи. Правда, в этом случае доступ к передаваемой информации в промежуточных точках оказывается по существу невозможен. Но на практике это и не требуется, так как основной задачей таких систем связи является быстрый переброс больших объемов информации на удаленные расстояния.

ТИПОВЫЕ ТОПОЛОГИИ

Сеть SDH любой сложности можно построить с использованием весьма ограниченного набора функциональных узлов. С их помощью выполняются все операции по передаче информации и управлению сетью.

Основным функциональным узлом SDH является мультиплексор, предназначенный для ввода/вывода цифровых потоков с полезной нагрузкой. Различают два типа мультиплексоров: терминальные и ввода/вывода. Основное отличие между ними заключается в том, как они располагаются в сети. Ниже, при рассмотрении типовых схем сетей SDH, это различие будет описано.

Кросс-коммутаторы обычно непосредственно не обслуживают ввод/вывод нагрузки, а обеспечивают обмен между транспортными модулями сети SDH. Они применяются при объединении сетей или в случае сложной топологии сети. Кроме специализированных кросс-коммутаторов функции локальной коммутации может выполнять мультиплексор.

Ряд функциональных узлов, таких, как регенераторы, оборудование линейных трактов и радиорелейных линий, обеспечивает функционирование собственно линий передачи сети SDH.

Обязательным функциональным узлом любой серьезной сети SDH является система управления, с помощью которой осуществляется мониторинг и управление всеми элементами сети и информационными трактами.

В настоящее время используются две типовые схемы построения сети SDH на основе мультиплексоров: «кольцо» и «цепь», представленные на Рисунке 2. В схеме «кольцо» применяются только мультиплексоры ввода/вывода (Add/Drop Multiplexer, ADM), а в схеме «цепь» — еще и терминальные мультиплексоры (Terminal Multiplexer, TM). Как видно из рисунка, каждый мультиплексор имеет по две пары магистральных выходов: одна называется «восток», а другая — «запад». С их помощью обеспечиваются различные схемы резервирования или защиты.

Рисунок 2. Типовые топологические схемы SDH.

Схемы защиты типа «1:1» и «1+1» формируются за счет организации двух встречных потоков. В первом случае на приеме анализируются сигналы с каждого направления и выбирается лучший для дальнейшей обработки. Во втором случае организуется два «кольца» — основное и резервное. При сбоях в основном кольце в течение 50 мкс происходит переключение на резервное: если «кольцо» разрывается или выходит из строя мультиплексор, то новое «кольцо» создается за счет обращения трафика на границах поврежденного участка.

В последнее время часто упоминается схема сети SDH с полносвязанной организацией соединений. Это стало возможным благодаря появлению DWDM и широкому распространению кросс-коммутаторов. В такой топологической схеме, за счет непосредственного соединения мультиплексоров по принципу «каждый с каждым», можно добиться очень высокой скорости передачи трафика.

На базе рассмотренных типовых схем или их разновидностей можно создать сеть SDH любой архитектуры и любой сложности. На Рисунке 3 представлена абстрактная сеть SDH, включающая в себя магистральный участок большой протяженности и подсети на концах этой магистрали. В городе Б имеется две сети кольцевой архитектуры, объединенные с помощью кросс-коммутатора. Через него информационные потоки могут попадать в магистральную сеть, выполненную по схеме «цепь». В городе А расположена одна сеть кольцевой архитектуры. Обмен данными с магистральной сетью осуществляется с помощью мультиплексора ввода/вывода. Из-за большой протяженности магистральной сети, при отсутствии потребности в промежуточных пунктах ввода/вывода данных, на ней установлены регенераторы для восстановления формы сигнала. Такая схема организации требуется очень редко. Предпочтительнее вместо регенераторов использовать мультиплексоры ввода/вывода, поскольку они также обеспечивают регенерацию цифрового сигнала.

Участок сети между двумя терминальными мультиплексорами называют маршрутом, между двумя соседними мультиплексорами (кросс-коммутаторами) — мультиплексорной секцией, а между двумя соседними регенераторами или между регенератором и мультиплексором (кросс-коммутатором) — регенерационной секцией.

ОБОРУДОВАНИЕ И КОМПАНИИ

Разумеется, в одном журнальном обзоре невозможно охватить всех производителей, выпускающих оборудование SDH и DWDM. Поэтому мы сможем рассказать лишь о части оборудования, представленном на российском рынке. В таблицах приведены основные технические характеристики по нескольким группам оборудования SDH и DWDM. В Таблице 3 представлены наиболее известные модели компактного оборудования SDH, используемые для построения корпоративных сетей и организации высокоскоростного доступа. Таблица 4 посвящена оборудованию SDH уровней STM-1/4/16, а в Таблице 5 дана информация по мультиплексорам уровня STM-64, используемых как точки доступа к оптическим сетям. В Таблицу 6 включено различное оборудование DWDM.

Alcatel. Компания Alcatel представляет на рынке семейство продуктов OPTINEX для операторов связи. В соответствии с принятой концепцией, на периферии сети используется оборудование SDH с интегрированными функциями IP и ATM. На магистральных сетях предпочтение отдается DWDM с поддержкой динамической реконфигурации оптических трактов, а также технологиям SDH. Ряд продуктов DWDM оптимизирован для сетей городского масштаба.

Для создания сетей высокоскоростного доступа может быть использовано устройство Alcatel 1640 FOX, являющееся мультиплексором ввода/вывода уровня STM-1/4. Устанавливаемый дополнительно модуль коммутационной матрицы АТМ и маршрутизатора IP упрощает подключение к глобальным сетям.

С помощью мультиплексора Alcatel 1650 SMC можно создавать локальные и корпоративные сети SDH уровня STM-1/4. Мультиплексор Alcatel 1660 SM предназначен для построения более масштабных сетей уровня STM-1/4/16. Так же, как и предыдущие модели, он поддерживает функциональность АТМ и IP. Если данный мультиплексор используется в сети уровня STM-16, то он может быть оснащен оптическим интерфейсом с «окрашенной» длиной волны, что обеспечивает непосредственное взаимодействие с устройствами DWDM без промежуточных конвертеров.

Устройства Alcatel 1670 SM и 1680 SM предназначены для создания высокоскоростных магистральных сетей. Первая модель представляет собой мультиплексор ввода/вывода с поддержкой уровней STM-16/64 и может непосредственно обслуживать трибутарные интерфейсы PDH. Вторая работает исключительно на уровне STM-64 и служит своеобразным шлюзом доступа к оптическому уровню сети.

В семейство OPTINEX входят три модели оборудования DWDM. Alcatel 1686 WM — система с поддержкой 16 или 32 оптических каналов. Каждый из них способен работать на скоростях от 100 Мбит/с до 10 Гбит/с. Разновидность данной модели категории metro — Alcatel 1686 WM Metro — оптимизирована для городских сетей. Для высокопроизводительных магистральных сетей подойдет модель Alcatel 1640 WM, обеспечивающая мультиплексирование до 80 оптических каналов.

Lucent Technologies. Компания Lucent Technologies выпускает целую гамму оборудования синхронной передачи и оптического уплотнения, объединенных общим названием WaveStar.

Младший модельный ряд SDH состоит из трех моделей мультиплексоров STM-1. Они могут использоваться для создания магистральных сетей и организации доступа. Для решения последней задачи предназначен WaveStar AM-1 Plus. Причем, в зависимости от комплектации, он способен работать и с потоком STM-4. Это небольшое устройство имеет настольную конструкцию, по габаритам и форме весьма схожую с модемами пятилетней давности. В этот мультиплексор можно вставить одну дополнительную плату, расширяющую его возможности по подключению оборудования с различными интерфейсами.

Для сетей иерархий STM-1, STM-4, STM-16 предлагается три модели с индексом ADM. Наиболее мощное устройство в этой группе — интеллектуальный мультиплексор WaveStar ADM 16/1. Он позволяет осуществлять кросс-коммутацию потоков Е1 и получать к ним доступ непосредственно на уровне STM-16.

Если пропускной способности в 2,5 Гбит/с окажется недостаточно, то можно установить высокопроизводительный мультиплексор WaveStar TDM 10G, работающий на уровне STM-64. Но при этом имеющиеся мультиплексоры более низких уровней придется сохранить, так как самым низкоскоростным трибутарным интерфейсом является STM-1.

Оборудование DWDM компании Lucent Technologies включает в себя семейство WaveStar OLS и мультисервисную платформу Metropolis MSX. Наиболее простая система DWDM — WaveStar OLS 80G с поддержкой до 16 оптических каналов в диапазоне 1550 нм. Данная система в модификации WaveStar OLS 400G расширяется до 80 оптических каналов, а в модификации WaveStar OLS 1.6T — до 160 каналов. Каждый из формируемых каналов может передавать информацию со скоростью 10 Гбит/с (STM-64), что соответствует пропускной способности по одному оптическому волокну 1,6 Тбит/с.

Nortel Networks. Оборудование SDH и DWDM этой компании — одно из самых популярных в мире. Линейка устройств SDH представлена моделями TN-1X, TN-16X и TN-64X. Последняя модель выполняла роль точки доступа к оптической сети. Компания предлагает и компактные варианты мультиплексоров SDH, например TN-1C.

Среди оборудования DWDM стоит отметить OPTera Long Haul 1600, обеспечивающее высокую пропускную способность, и OPTera Metro 5000, предназначенное для создания скоростных сетей масштаба города.

Siemens. Так же, как и у других компаний, в арсенале Siemens целое семейство мультиплексоров, под названием TransXpress.

Мультиплексорное оборудование SDH в данном семействе представлено устройствами с поддержкой уровней иерархии от STM-1 до STM-64. Компактная модель SMA1K имеет две модификации, отличающиеся типом корпуса, числом и типами трибутарных интерфейсов. Модель SMA16 позволяет создавать мультиплексоры уровней STM-1/4/16. Такая универсальность обеспечивается большим выбором линейных интерфейсов. В качестве точки доступа к оптическим сетям может выступать устройство SL64, которое объединяет не только сигналы STM, но и Ethernet.

В области DWDM компания Sie-mens предлагает, наверное, самый широкий выбор оборудования для магистральных, региональных и городских сетей. Например, модель MTS2, созданная для магистральных сетей большой емкости и большой пропускной способности, способна передать до 640 каналов по 2,5 Гбит/с на расстояние свыше 1000 км. Для решения менее грандиозных задач можно воспользоваться оборудованием класса WL с поддержкой всего 8 или 16 оптических каналов.

ZTE. Эта китайская компания предлагает на российском рынке целый ряд оборудования SDH и DWDM. Устройство ZXWM-32 представляет собой систему уплотнения DWDM и позволяет достигать суммарной скорости передачи до 400 Гбит/с. Решение ZXSM-150/600/2500 является универсальной системой SDH, поддерживающей работу на уровнях STM-1/4/16.

Huawei Technologies. В последнее время компания Huawei стала проявлять заметную активность на российском рынке. Она работает во многих областях телекоммуникаций, включая создание оборудования для магистральных сетей. Для этого направления разработано семейство OptiX, куда входят мультиплексоры SDH уровней STM-1/4/16/64, оборудование DWDM на 16/32 канала и мультисервисная транспортная платформа MSTP. Последняя объединяет преимущества SDH и DWDM. В настоящее время создано всего три продукта, где реализовано MSTP. Все они предназначены для построения сетей городского масштаба и позволяют интегрировать трафик SDH, ATM и IP.

NEC (Черноголовка). Подмосковный завод научного приборостроения Российской академии наук, расположенный в поселке Черноголовка, уже несколько лет совместно с японской компанией NEC выпускает серию мультиплексоров STM. С их помощью можно создавать магистральные сети различных топологий уровней STM-1/4/16.

ECI Telecom. В январе 2001 г. подразделение, занимающееся соответствующим оборудованием, было преобразовано в компанию Lightscape Networks, входящую в группу компаний ECI Telecom. Этот производитель достаточно широко известен на российском рынке, где предлагает ряд мультиплексоров SDH, работающих на уровнях STM-1/4/16, а кроме того, одноплатный мультиплексор mic-roSDM-1 уровня STM-1.

Недавно Lightscape Networks выпустила новую серию универсальных мультиплексоров XDM, в котором на одной платформе интегрированы функции мультиплексирования DWDM, кросс-коммутации, маршрутизатора IP, коммутатора АТМ и мультиплексоров SDH. В настоящее время потребителям предлагаются три модели. Младшая, XDM 500, является шлюзом доступа из цифровых сетей в сети DWDM. XDM 1000 представляет собой мультисервисный коммутатор оптической городской сети. Старшая модель, XDM 2000, позиционируется компанией как многофункциональный интеллектуальный коммутатор. Все устройства способны манипулировать потоками от Е1 до STM-64.

В ДВУХ СЛОВАХ

Даже этот далеко не полный обзор оборудования SDH и DWDM наглядно показывает, какими бурными темпами идет развитие магистральных сетей связи. Самой важной задачей проектировщика такой сети станет оптимальный выбор устройств, которые позволили бы добиться максимально эффективного использования ресурсов сети и обеспечить ее легкую модернизацию в дальнейшем. Будем надеяться, что информация, изложенная в данной статье, поможет сделать первые шаги в построении современной магистральной сети.

Алексей Полунин — независимый эксперт. С ним можно связаться по адресу: polunin@hotmail.com.